新石墨烯空氣電極可提升鋰電池容量達15000毫安時/克

鋰離子電池已被廣泛應用于許多電子設備中，在我們的日常生活中非常重要。然而，在過去20年中穩定增長了10-15%之后，鋰離子電池的能量密度現在已經接近其理論極限，而正是這些電池中使用的陰極和陽極材料限制了其能量。因此，近年來，全世界都在積極追求下一代儲能系統。

一種這樣的系統是金屬/空氣電池，其具有比大多數現有的原電池和可充電電池高得多的規格能量。

（a） 功能性石墨烯片結構示意圖（上圖），具有理想的雙峰多孔結構（下圖），這對鋰氧電池的運行非常有利。（b） 在鋰氧電池的放電曲線中，使用FGS（C/O＝14）作為空氣電極（PO2＝2ATM）。

太平洋西北國家實驗室過渡材料科學項目研究員張紀光博士說：“金屬/空氣電池是獨一無二的，因為正極活性材料不儲存在電池中。”。相反，環境中的氧被還原，并且在空氣電極中的催化表面上形成氧物化或過氧化離子，其進一步與電解質中的陽離子組分反應。Li/O2對特別有吸引力，因為它可能具有最高的規范能量，這在所有已知的電化學對中都是如此。"

在迄今為止討論的各種電化學儲能系統中，鋰空氣電池是最有前途的技術，其理論能量密度是傳統鋰離子電池的近十倍。這是因為鋰金屬作為陽極的容量是傳統石墨陽極的十倍，并且鋰空氣電池作為陽極的氧氣可以從環境中自由吸收，這大大降低了電池的重量和成本。

為了用于電動汽車等實際設備，研究人員預計鋰空氣電池的能量密度將達到約800 WHr/kg，是最先進鋰離子電池的三倍。因此，鋰空氣電池具有巨大的潛力，可以用于許多應用，這需要儲能系統超越鋰離子電池，例如每次充電可以行駛500公里以上的長途電動汽車。

2011年10月10日，《納米快報》在線版報道了他們的成就，題為“分級多孔石墨烯作為鋰空氣電池電極”。西北太平洋國家實驗室的張繼光和他的團隊證明，一種新的空氣電極含有不同尋常的功能化石墨烯片層狀排列（無催化劑），可以帶來非常高的鋰氧電池容量，即15000毫安時/克，這是該領域有史以來報道的最高值。

這種鋰空氣電池的性能受到許多因素的影響，如電解質成分、宏觀結構的空氣電極以及從微觀結構到納米結構的含碳材料。反應產物（如Li2O2）沉淀在含碳電極上，最終會堵塞氧氣通道，限制鋰空氣電池的容量。

太平洋西北國家實驗室團隊最近的工作將空氣電極堵塞問題降至最低，并顯著提高了容量。

張繼光說：“以前的工作使用了介孔碳或石墨烯片，或者鑄造成堆疊的二維結構，這限制了其可用容量。”。我們的工作首次展示了一種自組裝的雙峰石墨烯結構，它既有微米大小的開孔來加速氧氣的擴散，也有大量的納米孔（2-50納米）來催化Li-O2反應，防止過快的放電產物堵塞化學通道。"

此外，研究表明，石墨烯的缺陷和官能團有利于形成分離的納米Li2O2顆粒，這有助于防止空氣電極中的空氣堵塞。石墨烯片的層狀有序多孔結構可以在實踐中應用，并促進大多數具有這種結構的石墨片的使用。

當用功能化石墨烯片制備空氣電極時，應將功能化的石墨烯片分散在微乳液溶液中，微乳液溶液也含有電極粘合劑材料。經過鑄造和干燥后，將形成一個非常不尋常的形狀。

令人驚訝的是，功能化的石墨烯片聚集成一個松散的“雞蛋”結構，留下一個巨大的互連隧道，一直延伸到電極的深處，”張繼光說……

se隧道的作用就像許多動脈一樣，不斷地向電極供應氧氣，放電過程就是這樣。更重要的是，與已經測試過的其他多孔碳材料不同，這種復雜的孔結構在電解質滲透后仍然存在。"

他們使用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察了“碎雞蛋”的“外殼”，研究人員發現這些“外殼”含有許多較小的連續納米孔，這些納米孔與大型隧道相連。張繼光指出，這種獨特的形狀是一種理想的設計，可以用于空氣電極。在放電過程中，一個強大的大型隧道可以用作向空氣電極供應氧氣的“高速公路”。同時，壁上的小孔都是出口，為氧氣還原提供了三相（固液氣）區域。"

在這種電池系統能夠大規模應用之前，仍然需要克服一些障礙。主要障礙包括：排放速度低；鋰空氣電池的電解液穩定性和可逆性；需要氧氣選擇性膜來減少由水滲透引起的容量退化；

為了延長循環壽命，有必要防止鋰枝晶的生長。

（編輯/李燕郊）鋰離子電池已被廣泛應用于許多電子設備中，在我們的日常生活中非常重要。然而，在過去20年中穩定增長了10-15%之后，鋰離子電池的能量密度現在已經接近其理論極限，而正是這些電池中使用的陰極和陽極材料限制了其能量。因此，近年來，全世界都在積極追求下一代儲能系統。

一種這樣的系統是金屬/空氣電池，其具有比大多數現有的原電池和可充電電池高得多的規格能量。

（a） 功能性石墨烯片結構示意圖（上圖），具有理想的雙峰多孔結構（下圖），這對鋰氧電池的運行非常有利。（b） 在鋰氧電池的放電曲線中，使用FGS（C/O＝14）作為空氣電極（PO2＝2ATM）。

太平洋西北國家實驗室過渡材料科學項目研究員張紀光博士說：“金屬/空氣電池是獨一無二的，因為正極活性材料不儲存在電池中。”。相反，環境中的氧被還原，并且在空氣電極中的催化表面上形成氧物化或過氧化離子，其進一步與電解質中的陽離子組分反應。Li/O2對特別有吸引力，因為它可能具有最高的規范能量，這在所有已知的電化學對中都是如此。"

在迄今為止討論的各種電化學儲能系統中，鋰空氣電池是最有前途的技術，其理論能量密度是傳統鋰離子電池的近十倍。這是因為鋰金屬作為陽極的容量是傳統石墨陽極的十倍，并且鋰空氣電池作為陽極的氧氣可以從環境中自由吸收，這大大降低了電池的重量和成本。

為了用于電動汽車等實際設備，研究人員預計鋰空氣電池的能量密度將達到約800 WHr/kg，是最先進鋰離子電池的三倍。因此，鋰空氣電池具有巨大的潛力，可以用于許多應用，這需要儲能系統超越鋰離子電池，例如每次充電可以行駛500公里以上的長途電動汽車。

2011年10月10日，《納米快報》在線版報道了他們的成就，題為“分級多孔石墨烯作為鋰空氣電池電極”。西北太平洋國家實驗室的張繼光和他的團隊證明，一種新的空氣電極含有不同尋常的功能化石墨烯片層狀排列（無催化劑），可以帶來非常高的鋰氧電池容量，即15000毫安時/克，這是該領域有史以來報道的最高值。

這種鋰空氣電池的性能受到許多因素的影響，如電解質成分、宏觀結構的空氣電極以及從微觀結構到納米結構的含碳材料。反應產物（如Li2O2）沉淀在含碳電極上，最終會堵塞氧氣通道，限制鋰空氣電池的容量。

太平洋西北國家實驗室團隊最近的工作將空氣電極堵塞問題降至最低，并顯著提高了容量。

張繼光說：“以前的工作使用了介孔碳或石墨烯片，或者鑄造成堆疊的二維結構，這限制了其可用容量。”。我們的工作首次展示了一種自組裝的雙峰石墨烯結構，它既有微米大小的開孔來加速氧氣的擴散，也有大量的納米孔（2-50納米）來催化Li-O2反應，防止過快的放電產物堵塞化學通道。"

此外，研究表明，石墨烯的缺陷和官能團有利于形成分離的納米Li2O2顆粒，這有助于防止空氣電極中的空氣堵塞。石墨烯片的層狀有序多孔結構可以在實踐中應用，并促進大多數具有這種結構的石墨片的使用。

當用功能化石墨烯片制備空氣電極時，應將功能化的石墨烯片分散在微乳液溶液中，微乳液溶液也含有電極粘合劑材料。經過鑄造和干燥后，將形成一個非常不尋常的形狀。

令人驚訝的是，功能化的石墨烯片聚集成松散堆積的“雞蛋碎”結構，留下……

張繼光說：“這些隧道就像許多動脈一樣，不斷向電極供應氧氣，放電過程就是這樣。”。更重要的是，與已經測試過的其他多孔碳材料不同，這種復雜的孔結構在電解質滲透后仍然存在。"

他們使用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察了“碎雞蛋”的“外殼”，研究人員發現這些“外殼”含有許多較小的連續納米孔，這些納米孔與大型隧道相連。張繼光指出，這種獨特的形狀是一種理想的設計，可以用于空氣電極。在放電過程中，一個強大的大型隧道可以用作向空氣電極供應氧氣的“高速公路”。同時，壁上的小孔都是出口，為氧氣還原提供了三相（固液氣）區域。"

在這種電池系統能夠大規模應用之前，仍然需要克服一些障礙。主要障礙包括：排放速度低；鋰空氣電池的電解液穩定性和可逆性；需要氧氣選擇性膜來減少由水滲透引起的容量退化；為了延長循環壽命，有必要防止鋰枝晶的生長。

（編輯/李燕郊）

標簽：發現前途遠程

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